Exploration du système solaire : Des planètes aux exoplanètes

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1 Exploration du système solaire : Des planètes aux exoplanètes Thérèse Encrenaz, LESIA, Observatoire de Paris Cercle Pierre de Jumièges, 15 Novembre 2011

2 De la Lune à Neptune: Cinquante ans d exploration spatiale Années 1960: L homme sur la Lune (Apollo, Lunakhod) Années 1970: La difficile conquête de Mars (Mariner 9, Viking) Première exploration des planètes géantes (Pioneer,Voyager) Années 1980 ( ): L exploration de Vénus (Pioneer Venus, Venera, Magellan) Les survols de la comète de Halley (Giotto, Vega) Années 1990 & 2000: Jupiter, Saturne et Titan Retour à Mars (orbiters, landers & rovers)

3 Les missions Apollo Collecte d échantillons lunaires: analyse du vent solaire, datation du système solaire

4 Le sol de Mars vu par Viking

5 Le sol de Venus (images radar Magellan, 1992)

6 L exploration spatiale de Jupiter < Pioneer 10, 1976 Galileo 1995 Voyager 1, 1979 Cassini flyby 2000

7 Une découverte majeure des années 1990 par les observations au sol: la ceinture de Kuiper Triton (probablement un TNO capturé par Neptune) vu par Voyager 2 (1989)

8 Le système solaire: un bref inventaire Des planètes: quatre telluriques, quatre géantes et leur système (anneaux, satellites) Entre telluriques et géantes: une ceinture d astéroïdes Pluton: une ancienne planète débaptisée aujourd hui un objet trans-neptunien de la ceinture de Kuiper Des comètes Et depuis 1995: une multitude de systèmes planétaires extrasolaires (> 500 systèmes, près de 700 exoplanètes)

9 Comment le système solaire est-il né? Les observations fondamentales Des orbites quasi-coplanaires, circulaires et concentriques, qui tournent dans le sens direct, celui de la rotation du Soleil Suggèrent fortement la formation des planètes au sein d un disque, produit de l effondrement gravitationnel d une nébuleuse en rotation (Hypothèse de Kant et Laplace)

10 Un scénario confirmé par l observation d étoiles voisines Observation au sol et dans l espace d étoiles jeunes ou en formation Mise en évidence de disques et d émission de jets bipolaires Observation de phases d activité intense (phase T-Tauri) chez lez étoiles jeunes ->La formation stellaire suite à l effondrement d un disque semble un phénomène courant dans l Univers HH30

11 Les grandes lignes du modèle d effondrement Contraction d un nuage protosolaire en rotation rapide Effondrement en un disque perpendiculaire à l axe de rotation Apparition d inhomogénéités au sein du disque turbulent Agrégation de particules solides Croissance des agrégats par le jeu des collisions Croissance des plus gros corps par gravité Balayage des débris par le vent solaire intense (phase T-Tauri)

12 La formation des planètes: Agrégation de particules solides + Collisions Multiples + Croissance par gravité

13 Comment connaît-on l âge du système solaire? Mesure des abondances isotopiques des éléments radioactifs dans les météorites et les échantillons lunaires Utilisation des éléments radioactifs de longue période : 40 K -> 40 Ar (1,7 Ga), 87 Rb-> 87 Sr (71 Ga), 238 U-> 238 Pb (66 Ga) -> L âge du système solaire est 4.56 milliards d années (âge des corps parents les plus anciens des météorites) Une autre méthode de datation: le comptage des cratères sur les objets sans atmosphère Lune, astéroides

14 Planètes telluriques et planètes géantes Planètes telluriques Forte densité: 3-5 g/cm 3 Atmosphère peu massive Peu ou pas de satellites Planètes géantes Grand diamètre, faible densité ( g/cm 3 ) Atmosphère massive, dominée par H 2 et He Anneaux et nombreux satellites réguliers

15 Pourquoi deux classes de planètes? Dans le disque, T décroît quand la distance au Soleil augmente Les éléments les plus abondants sont H, He, C, N, O, les éléments les plus lourds sont les moins abondants Près du Soleil (<300 K environ) seuls les silicates et les métaux sont sous forme solide -> faible masse solide disponible -> planètes telluriques Loin du Soleil, les éléments H 2 O, CH 4, NH 3 sont sous forme de glace -> disponibles pour former de gros noyaux -> effondrement du gaz protosolaire environnant (H, He) dès que M N >10-15 M T - > planètes géantes Entre telluriques et géantes, la condensation de l eau marque la ligne des glaces

16 Courbes de saturation des glaces Un constituant majeur: l eau L eau est la première glace à condenser dans le disque quand la température décroît

17 Pourquoi deux classes de planètes géantes? Jupiter et Saturne: (5-10 UA) Grande masse disponible (juste au-delà de la ligne des glaces) -> M T Croissance rapide (quelques Ma) Effondrement d une grande masse de gaz -> géantes gazeuses Uranus et Neptune: ( > 10 UA) - Moins de matière dans le disque -> croissance plus lente - Accrétion du noyau de 10 M T après le balayage du gaz par le vent solaire -> M T -> Moins de gaz disponible pour l accrétion-> géantes glacées

18 Comment expliquer la composition atmosphérique des planètes? A l équilibre thermochimique : CH 4 + H 2 O <-> CO + 3 H 2 2 NH 3 <-> N H 2 (basse température) (haute température) -> Planètes géantes: -> Plan. telluriques: H 2, CH 4, NH 3 + H 2 O CO, N 2, CO 2 +H 2 O CH 4 Mars CO 2

19 Les planètes géantes: pourquoi des satellites réguliers et un système d anneaux? Après la formation du noyau initial: effondrement gravitationnel de la nébuleuse environnante Formation d un disque équatorial -> formation de satellites au sein du disque («mini-système solaire») -> nombreux satellites réguliers A proximité de la planète: destruction des satellites par effets de marée -> formation d anneaux

20 Les satellites galiléens de Jupiter < Io: un volcanisme actif (SO 2 ) Europe: Un océan sous la surface? >

21 La surface de Titan (descente de la sonde Huygens le 14 Janvier 2005): Des galets de glace d eau sur un dépôt d hydrocarbures Mais des lacs d hydrocarbures ont aussi été detectés par le radar de Cassini (2007)

22 Les planètes telluriques Venus Terre Mars Ps = 93 bar Ps = 1 bar Ps = 6 mbar Ts = 730 K Ts = 288 K Ts = 230 K Des atmosphères primitives comparables, mais des destins très différents...

23 La basse atmosphère de Vénus: un effet de serre galopant Le rayonnement solaire visible chauffe la surface qui émet dans l infrarouge Les gaz atmosphériques absorbent ce rayonnement et chauffent à leur tour -> la température de surface augmente et l effet s amplifie Les gaz à effet de serre les plus efficaces sont CO 2, H 2 O et CH 4

24 L eau lourde dans l atmosphère de Vénus: un indice de son histoire passée Dans la basse atmosphère de Vénus: signatures spectrales de HDO et H 2 O -> [D/H] V = 120 x [D/H] T! Implication: L eau a été très abondante dans l atmosphère primitive de Vénus. Bézard et al Elle s est échappée massivement, l eau lourde HDO s échappant moins facilement.

25 L eau lourde dans l atmosphère de Mars -Observation de raies HDO à 3.7 µm (FTS-CFHT, Mauna Kea) -> mesure de HDO -Comparaison à H 2 O (estimé indépendamment) -> [D/H] M = 5-6 [D/H] T -Interprétation: dégazage de H 2 O au début de l histoire de la planète -> atmosphère primitive plus dense (Owen et al., 1988)

26 Qu est devenue l eau de Mars? Des traces d écoulement fluviatile, preuve que l eau a coulé sur Mars dans le passé...

27 L eau est présente aux pôles, sous la surface de Mars OMEGA/Mars Express: Minéralogie de la surface ( ) Détection d argile dans les terrains anciens (hémisphère sud) Détection de sulfates dans les régions chaotiques -> L eau a coulé en abondance au cours du premier milliard d années, et ensuite épisodiquement

28 Mars: les questions ouvertes Où est passée l eau de Mars? (sous la surface, sous les calottes? Quel volume?) Mars a-t-elle connu un climat plus chaud et humide dans le passé? D après Mars Express, l eau liquide a coulé en abondance autrefois sur les terrains anciens. Si oui, la vie a t-elle pu y apparaître? Si oui, existe-t-il des traces de vie fossile? Comment faire pour détecter ces traces avec les missions spatiales futures? Les projets : Rovers et orbiteurs (MSL/Curiosity, MAVEN, ExoMars)

29 Evolution comparative des planètes telluriques: Le rôle de l eau et de l effet de serre Au départ: des atmosphères de composition comparable (CO 2, N 2, H 2 O, CO) mais des températures différentes Sur Vénus: H 2 O gazeux-> effet de serre qui s amplifie - > Ts = 730 K (460 C)! Sur la Terre: H 2 O liquide -> CO 2 piégé dans les océans -> effet de serre modéré, Ts approx. Constant (288 K = 15 C) Sur Mars: H 2 O solide(/liquide?) et planète peu massive - > faible activité interne -> l effet de serre disparaît, Ts = environ 230 K (-140 C)

30 Les petits corps du système solaire: des vestiges de sa formation La ceinture principale des astéroïdes: les restes d une planète inachevée La cause: l intense champ de gravité de Jupiter Les astéroïdes géocroiseurs des voisins de la Terre et des menaces potentielles de collision Au delà de Neptune: la ceinture de Kuiper et les TNOs (dont Pluton)

31 Les comètes hier et aujourd hui Des fragments de glace qui voyagent du plus loin au plus près Certaines d entre elles sont connues depuis l Antiquité et reviennent périodiquement Des vestiges des premiers âges du système solaire Deux réservoirs possibles: le nuage de Oort (40000 UA) pour les comètes à longue période la ceinture de Kuiper ( UA) pour les comètes à courte période

32 Halley 1986: une exploration par cinq sondes spatiales Sonde Giotto (ESA): observation du noyau Sondes Vega (URSS-Europe): détection de l eau et de molécules hydrocarbonées complexes

33 1997: Hale-Bopp, la comète géante Le spectre de l eau vu par le satellite ISO (2.66 µm)

34 Le système solaire: une exception dans l Univers? Non! La découverte des planètes extrasolaires: une révolution astronomique! Depuis 1995: près de 700 planètes extrasolaires géantes («exoplanètes») découvertes autour d étoiles proches Principale méthode utilisée: vélocimétrie (mesure du déplacement de l étoile autour du centre de gravité du système) Autre méthode complémentaire: mesure des transits (mesure du flux stellaire lors du passage de la planète devant son étoile)

35 Exoplanètes: La méthode de vélocimétrie Première détection: 51 Peg b (Mayor et Queloz, 1995, Observatoire de Haute Provence)

36 Une surprise: les exoplanètes géantes sont très proches de leur étoile! Le modèle de formation des exoplanètes est différent de celui du système solaire

37 Le système solaire: un cas atypique? Comment expliquer la présence d exoplanètes géantes près de leur étoile? Un mécanisme très étudié: la migration Formation des exoplanètes géantes loin de l étoile Rapprochement par interaction entre l exoplanète et le disque Une migration modérée semble avoir eu lieu pour les planètes géantes du système solaire Attention au biais observationnel: les exoplanètes les plus faciles à détecter sont les géantes à courte période! D autres systèmes planétaires semblables au nôtre restent peut-être à découvrir Pour rechercher les exoterres: la méthode des transits

38 La méthode des transits Passage de la planète devant l étoile -> diminution du flux stellaire (Jupiter: 1%; Terre: 0.01%) -> Détection possible des exoplanètes géantes depuis la Terre, des exoplanètes telluriques («exoterres») depuis l espace Détection de l exoplanète HD209458B

39 La mission spatiale COROT Mission française (CNES) Objectif: recherche des exoterres par observation photométrique de champs stellaires Lancement: 27/12/2006 Durée de vie: > 6 ans 25 exoplanètes découvertes, plusieurs dizaines de candidats à confirmer (vélocimétrie) Kepler (2009) -> plusieurs centaines de candidats

40 Quelques objets exotiques Osiris (1er transit) M = 0.7 M J R = 1.3 R J -> d = 0.4 g/cm 3 CoRoT-7b -> R = 1.7 R E P < 1 day 2M 12071ère détection directe Naine brune, M S M = 5 M J, D = 55 AU

41 De la détection à la caractérisation: La spectroscopie des exoplanètes par transit Transits primaires Spectroscopie par transmission Sondage de l atmosphère supérieure au terminateur Bien adapté aux Jupiters chauds Transits secondaires Emission thermique des exoplanètes Nécessite la connaissance du profil thermique de la planète Transit Transit Primaire Secondaire Moyens d observation actuels: HST, Spitzer (espace) + telescopes au sol

42 HD189733b, terminator Swain, Vasisht, Tinetti, Nature, 2008 Transit primaire

43 HD189733b, day-side MIPS photometry Knutson et al., 2008 IRAC photometry Charbonneau et al., 2008 H 2 O CH 4 CO 2 Deming et al. NICMOS, Swain et al., 2009 CO 2 IRS IRS spectroscopy new reduction Grillmair Swain et et al., al Transit secondaire

44 Le but ultime: la recherche de la vie dans les exoplanètes Forget et al. Barcelona 2009 La zone habitable : la région où l eau est sous forme liquide

45 Comment rechercher la vie dans les exoplanètes? Recherche de l oxygène Traceurs: les biomarqueurs moléculaires (spectroscopie infrarouge) Meilleur contraste de flux P/* O 3 (plus facile à identifier que O 2 ) Venus Terre O 3 H 2 O Mars CO 2 + CH 4 Etape suivante: imagerie directe CO 2

46 En conclusion Le système solaire: une extrême variété d objets au sein de chaque famille Nous comprenons les grandes lignes du mécanisme de sa formation (accrétion au sein d un disque) Ce mécanisme semble largement répandu dans l Univers Il existe de nombreuses exoplanètes autour des étoiles proches mais celles-ci ne ressemblent pas aux planètes du système solaire! Leur mode de formation est différent de celui du système solaire, et reste mal compris (migration?) Un grand défi pour demain: rechercher les exoterres et chercher si la vie a pu y émerger